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切开大脑,看纳米粒子在里面“翩翩起舞”

切开大脑,看纳米粒子在里面“翩翩起舞”

有这样一种博士,他们的日常工作竟是切大脑?!


没错,在给动物大脑注射纳米粒子或药物后,他们要把动物大脑切成切片进行培养,了解纳米粒子在脑中的行为。他们把纳米颗粒比作脑中的“舞者”,自己则是这些“舞者”的观测员,当纳米颗粒在大脑间舞蹈的时候,他们评估舞台的灯光效果,测试舞鞋对舞姿的影响,了解妆容和舞蹈故事的相容性,并为纳米舞者设计更好的舞蹈效果。


切开大脑,看纳米粒子在里面“翩翩起舞”,一起来看看分子工程学博士的日常吧!


(专栏中所涉及的内容为嘉宾自身的经历,仅供参考,不同院校/专业/研究方向的博士在研究和生活方面都会有不同的体验哟)


本文来自微信公众号:我是科学家iScientist(ID:IamaScientist),作者:梦影,编辑:Yuki、大庆



什么是分子工程?


分子工程是一门关注于分子性能、行为和相互作用,并以此来设计用于特殊应用的材料或者系统的新兴学科。听上去好像很玄乎?我个人的理解是,任何分子层面的研究和设计都可以称之为分子工程。


因此,这门科学的涵盖范围非常广,囊括了包括生物工程、化学工程、材料工程、电子工程、合成生物学、免疫学等等。举几个简单例子,利用计算机以原子水平的分子模型来模拟分子结构和行为,纳米结构新型清洁能源的设计,都可以算得上是分子工程。


因为研究单位大小都是纳米分子级别的,分子工程在概念上和纳米科技其实非常相似。在历史的洪流中,早期的工程途径都是非常依赖于物质本身的特性。随着分子原子概念的不断出现,科学家们开始思考:是否可以换一种思考方式?与其从物质本身的宏观特点出发去设计可能的应用,我们能不能反其道而行,由微观的原子分子单位,去建造一个符合想要目的的材料呢?


与此同时,与传统的试错(trial-and-error)这样的依据经验和反复实验的方式不同,分子工程更加关注理性研究方法(rational approach),要求首先学习了解分子间的基本原则,由知识出发去精确操纵系统或者材料上的特性。


不会脑科学的化工博士生不是好的纳米科学家


当我向家里人介绍我的研究方向时,会出现如下的场景:


以上只是想表达我所在的课题组研究方向的交叉性(皮一下)。


简单来说,我们组想要利用纳米颗粒来了解大脑中的细微差别对于疾病治疗的影响,并且利用这些知识来更好地设计应用于大脑的纳米材料。


图片来源:Curtis et al (2016) WIREs Nanomed Nanobio


为什么要了解这些呢?大家知道,大脑是身体中非常重要又非常复杂的器官。除了严格控制进出的血脑屏障,大脑的微环境会随着实验对象和疾病程度的不同,产生很大的差异。而这些差异会对疾病的治疗或者材料的选用有非常大的影响。


比方说,当大脑有炎症时,大脑中的“管家”——小神经胶质细胞会大量增殖,形状也会从“树杈状”变成更加圆形的“变形虫状”。被激活的变形虫状的小神经胶质细胞有更强吞噬外来“入侵者”的能力,也会分泌更多的细胞因子。这样的特性可能会造成后续的炎症,也有可能被研究者用来对大脑给药等等。


纳米颗粒具有给药效率高、容易渗透进入细胞等适用于医学领域的一些独特性质。但是纳米医学在向前推进的过程中,还存在各种亟待解决的问题。这其中就包括纳米颗粒在生物体内(尤其像大脑这样的复杂器官)的行为和影响,而我们组的研究,就是为了帮助人们了解这些问题。


纳米颗粒在大脑的环境中是否具有毒性呢?如果我们给颗粒加了这样一层“外衣”,它是否能够渗透得更深呢?在炎症环境下,怎样的纳米颗粒设计可以更加稳定地给药呢?有时候我会把纳米颗粒比作脑中的“舞者”,而我们自己则是这些“舞者”的观测员,当纳米颗粒在大脑间舞蹈的时候,我们评估舞台的灯光效果,测试舞鞋对舞姿的影响,了解妆容和舞蹈故事的相容性,并为纳米舞者设计更好的舞蹈效果。


我的读博日常


像我们组这样研究处于不同专业的交叉面的,往往做的东西或者角度比较新,而且什么领域都会涉及一点。按照我导师的话说,就是高风险高回报(high risk,high reward)。好处是我们一直处于学习状态中,而且学习的内容横跨了包括神经科学、化工、生工、免疫学等各种方向,不会觉得枯燥。但是坏处也很显而易见:一是成果可能出得慢,二是学习的感觉可能会是“杂而不精”。


说起来,我和我的导师同一年来到学校的,我和另两位同学都是导师的初代弟子。导师年轻而富有激情,并且愿意从学生的角度来思考问题,相处起来非常愉快。不过第一年和第二年开头,我们三个基本上是处在建设实验室的阶段,需要从学习如何用仪器、自己学习摸索实验方案开始。比起有成熟实验技术的课题组,我们上手的速度就非常慢了,而且在前期设定实验方案的时候就要经历反复试错,心理压力有时候很大。


但是作为一个“初创公司”的“元老”,其实是一件很有趣的事情。看着一个被大家喜爱的实验室文化的诞生本身就让很有成就感。在交叉学科中,你会去学习如何良好地合作,如何去虚心请教其他领域的专家。有时候我需要去问研究神经疾病的朋友,或找临近的癌症中心和免疫学家合作。这些博士生涯中学习到的软实力也许在毕业之后会使人受益匪浅。


我们组的instagram账号,记录了很多学术和非学术的日常


等实验室规模有点雏形,实验方案更加完善并且自己掌握了基础技术后,实验周期就相对固定了。因为我们组的主要研究对象是动物的器官型大脑切片,我们每个博士生都几乎会在每个周一花上一到五个小时将大鼠的大脑切成300 μm的切片进行培养。如果做动物实验,实验时间就会更长了,我们经常会一大早去动物房给动物注射纳米粒子或药物,然后傍晚趁着动物房的灯还没关溜进去把动物带出来。因为动物产仔时间不可控,周末加班做实验也是在所难免的。有时候鼠妈妈不按照预期怀孕,我们还为了他们的交配问题抓耳挠腮……


很多生物技术在我们组也是常规。因为我的研究项目需要很多荧光成像的实验,共焦显微镜陪我度过了许多日夜。为了避免仪器使用高峰的工作日,我也会周末在显微镜的“暗房”里一呆七八个小时,结束时,出门重见光明那一刻仿佛感觉自己被“闪瞎”……但是当看到纳米粒子在神经间舞蹈,幻化出美妙色彩的碰撞,就觉得什么辛苦都值得了。


在闸刀下瑟瑟发抖的白鼬大脑


在读博士之前,我以为的博士日常是全天都在做实验。而事实上,除了做实验,我们还会花很多时间在收发邮件,和别人讨论和合作,完善实验设计,阅读文献或者是练习写作上。尤其是锻炼写作,无论会议报告还是写论文,讲好故事是至关重要的。因此日常训练里对于讲故事能力的多加练习,尤其是英语环境下的流畅写作和陈述,占用的时间会比想象得多。


我的业余生活


对于博士生来说,只要能高效地完成任务,业余生活就可以交给自己打理了。特别是压力大的时候,进行一些非学术的活动能够有效解压。比如周末偶尔约上三两个朋友来家里吃饭打游戏,比比谁是尬舞之王(任天堂是世界的主宰!)。或者天气不好的时候,窝在家里打毛线……



旅行也是我业余生活中很重要的一部分。我学校所在的城市西雅图交通便利,而且四周风景优美,背山临海。如果能请假的时间大于三天,我会去别的城市旅游;但是如果仅仅是天气好的周末,我会就近去爬山或者看风景。


左:拍的夏威夷火山和马蹄湾大自然的壮丽景观。右:西雅图本身就是颜值很高的城市


学校每年三四月的樱花非常美。因为我自己和室友喜欢汉服,每年的春天我们都会一起去赏樱花。听到越来越多的人赞赏汉服之美真的很开心!



关于读博的一些心得体会


分子工程博士项目:


分子工程这个专业其实还很新。新到什么程度呢?据说我们学校这个专业是世界还是全美前二,因为目前总共只有两个学校有这个专业……


分子工程专业交叉领域多,相较于传统专业博士项目有所不同。以我所在的学校来说,分子工程博士项目是在一个机构(institute)里而不隶属于任何学院(department),加盟的100多位老师都来自学校各个不同的学院。我们的主要研究方向可以分为生物技术(biotech)和清洁能源(clean tech)两大块。在第一年的博士学习过程中,学生有为期三个学期的轮转(rotation)。在轮转期间,学生可以选择学校里任何分子领域的教授作为导师。


这样的好处是可以自主尝试不同的组和研究方向,直到找到自己喜欢的研究领域(重要)和导师(十分重要),比较适合在考虑博士项目时不能完全确定自己感兴趣方向,或是想感受不同导师风格再决定研究方向的同学。但同时,因为轮转定组是相对自由的“导师与学生双向选择”的方式,不像传统的“套磁-定导师-进项目-研究很多年”,因此决定导师前的压力可想而知。并且,因为项目的多元化,在确定导师以后,同学们基本扎根在导师所在的各自学院,因此专业同学之间的联系反而没有那么强。但是新兴交叉学科项目还是有优势的,那就是资金充足!我们第一年是由学院保证提供资金,这样学生就可以没有后顾之忧地去了解和选择导师啦。


我们专业的另外一个特点是广泛接收来自不同专业背景的学生。换句话说,这个项目对于想要换方向,或者想要尝试新领域的同学比较友好。我自己就是一个例子。我的本科是纯粹的生物科学,即便在生物材料研究组做过一年多的研究,直接转到生物工程专业还是有一定难度。除我以外,我们专业还接收过数学和物理背景的同学(现在在做骨骼的机械工程)。在接触新知识的过程中,如果能快速掌握新研究的基础知识,并同时利用自己原专业的优势,将会是对你的博士研究有很大的帮助。


你对你要做的研究,有真正的兴趣吗?


我导师说过一句话,感到酷和真正有兴趣是不一样的。你可能觉得这个研究方向很有趣很新奇,但是也许要潜下心埋头往下做五年甚至更多,就是一件极其枯燥的事情。尤其像分子工程或者我们组的纳米医学/神经学,由于太新,所以不确定的东西也太多了,你不能保证自己每尝试一个新东西就能出结果。在研究过程中,往往想出一个点子和实验方案花一个月,而反复实验改进直到出结果可能会花十一个月。所以我觉得,确保自己对这个领域真正的热爱,能够去自己思考并脑暴出新颖的点子,以及能沉下心花较长时间钻研一个看来微不足道但可能有潜在价值的小问题,是读博士的原动力。


我自己引以为豪的全部由女生组成的研究小队


你有抗压能力和抗压方法吗?


Nature在今年三月发文称,超过三分之一的博士生被报道抑郁。博士生压力大是一个老生常谈的话题,但也是很现实的话题。毕业压力、论文压力、就业压力、实验失败的压力、跟隔壁组早早发文的赵铁蛋相比的压力、脱发压力等,无时无刻在折磨博士生的神经。我不是很建议大家一拍脑门就决定去读博士,因为你可能并不知道将要面对怎样的困难,也不了解自己的抗压能力真正如何。提前知道自己抗压能力和抗压方式也有助于你确定自己的研究组和学校。也许自己不能承受导师过度push的压力,那么一个人美心善但是放养的导师更适合你。


导师在今年情人节给我们做的饼干


也许攀岩爬山是你的减压方式,那么可能一个有这样地理条件的学校更适合你。如果跟人打交道让你感到压力,那么也许一个独立的埋头苦干的组更适合你。当然了,去运动、去旅游、甚至向学校心理室咨询都是很好的解压方式。


以上就是我的分子工程博士日常。当然说到最后,每个人读博的体验都不一样。最重要的是,知道自己想要什么并为之奋斗。如果不知道也没有关系。迷茫的时候,就往前走吧!


本文来自微信公众号:我是科学家iScientist(ID:IamaScientist),作者:梦影,编辑:Yuki、大庆

*文章为作者独立观点,不代表虎嗅网立场
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